Transformadores de corriente: diseño, principio de funcionamiento y tipos

Los transformadores de corriente se utilizan ampliamente en la ingeniería eléctrica moderna como equipos para modificar diversos parámetros eléctricos manteniendo sus valores básicos. El funcionamiento del equipo se basa en la ley de la inducción, que es relevante para los campos magnéticos y eléctricos que varían sinusoidalmente. El transformador transforma el valor de la corriente primaria con respecto a la modulación y la transmisión del ángulo en proporción a los datos brutos. La elección del equipo debe hacerse en función del área de aplicación y del número de consumidores conectados.

¿Qué es un transformador de corriente?

Se utilizan en la industria, en la ingeniería municipal y civil, en la industria y en otros ámbitos, para aplicar corriente de una característica física específica. La tensión se aplica a las bobinas del devanado primario, donde se genera una corriente alterna como resultado de la radiación magnética. La misma radiación viaja a través de las bobinas restantes, debido a lo cual las fuerzas EMF se mueven, y cuando las bobinas secundarias están en cortocircuito o conectadas al circuito eléctrico, aparece una corriente secundaria en el sistema.

Los modernos transformadores de corriente permiten convertir la energía de manera que su uso no cause daños en los equipos que la utilizan. También permiten medir cargas más elevadas con la máxima seguridad para la maquinaria y el personal, ya que los devanados primario y secundario están aislados entre sí de forma fiable.

¿Para qué sirven los transformadores?

Es fácil ver para qué sirve un transformador de corriente: sus aplicaciones abarcan todos los ámbitos en los que se transforman los valores energéticos. Estos aparatos son dispositivos auxiliares que se utilizan en paralelo con los instrumentos de medición y los relés para crear un circuito de corriente alterna. En estos casos, los transformadores convierten la energía para facilitar el desciframiento de los parámetros o la conexión de equipos con características diferentes en un mismo circuito.

También está la función de medición de los transformadores: se utilizan para hacer funcionar circuitos eléctricos con tensiones más altas, a los que hay que conectar instrumentos de medición, pero no es posible hacerlo directamente. Su función principal es transmitir la información adquirida sobre los valores de la corriente a los instrumentos de medición conectados al devanado secundario. También permite controlar la corriente en el circuito: cuando se utiliza el relé y se alcanza el valor máximo de corriente, se activa una protección que apaga el equipo para evitar que se queme y se produzcan daños personales.

Principio de funcionamiento

El funcionamiento de estos equipos se basa en la ley de la inducción, según la cual se aplica la tensión a las bobinas primarias y la corriente vence la resistencia creada por el bobinado, lo que hace que el flujo magnético se transmita a la bobina magnética. El flujo es perpendicular a la corriente, con lo que se minimizan las pérdidas, y al atravesar los devanados secundarios se activa el EMF. Esto induce una corriente en el sistema que es mayor que la resistencia de la bobina, y la tensión en el extremo de salida de las bobinas secundarias se reduce.

Así pues, el diseño más sencillo de un transformador consiste en un núcleo metálico y un par de bobinas, que no están conectadas entre sí y se realizan como hilos aislados. En algunos casos, la carga está sólo en los devanados primarios y no en los secundarios: es el llamado modo de reposo. Si el equipo que consume energía está conectado al devanado secundario, fluye una corriente a través de las bobinas y se crea una fuerza electromotriz. El CEM viene determinado por el número de bobinas. La relación de la fuerza electromotriz para las espiras primarias y secundarias se conoce como relación de transformación, calculada a partir de la relación del número de espiras. Es posible regular la tensión final cambiando el número de vueltas del primario o del secundario.

Clasificación de los transformadores de corriente

Existen varios tipos de transformadores de corriente que se clasifican según una serie de criterios, como la finalidad, el método de instalación, el número de pasos de conversión y otros factores. Estos parámetros deben tenerse en cuenta antes de seleccionar un transformador de corriente:

• Objetivo. Se utiliza para distinguir entre modelos de medición, intermedios y de protección. Por ejemplo, los transformadores intermedios se utilizan para la conexión de dispositivos para operaciones informáticas en sistemas de protección de relés y otros circuitos. Los transformadores de laboratorio separados, que proporcionan una mayor precisión de los indicadores, tienen un gran número de coeficientes de conversión.
• Método de instalación. Hay transformadores para la instalación en exteriores y en interiores: no sólo tienen un aspecto diferente, sino que también tienen diferentes indicadores de resistencia a las influencias externas (por ejemplo, los dispositivos para uso en exteriores tienen protección contra las precipitaciones y las fluctuaciones de temperatura). También se distingue entre transformadores de pedestal y portátiles; estos últimos tienen un peso y unas dimensiones comparativamente reducidas.
• Tipo de bobinado. Los transformadores pueden ser de uno o varios voltios, de bobina, de núcleo o de barra. Tanto el devanado primario como el secundario pueden ser diferentes, y el aislamiento (seco, porcelana, baquelita, aceite, compuesto, etc.) también es diferente.
• El nivel de los pasos de transformación. El equipo puede ser de una o dos etapas (en cascada), el límite de tensión de 1000 V puede ser mínimo o máximo.
• Diseño. Existen dos tipos de transformadores de corriente según este criterio: los sumergidos en aceite y los de tipo seco. En el primer caso, los devanados y el núcleo magnético se encuentran en un depósito que contiene un líquido aceitoso especial: desempeña el papel de aislante y permite regular la temperatura de funcionamiento del medio. En el segundo caso, la refrigeración es por aire y estos sistemas se utilizan en edificios industriales y residenciales, ya que los transformadores de aceite no pueden instalarse en el interior debido al mayor riesgo de incendio.
• Tipo de tensión. Los transformadores pueden ser reductores y elevadores: en el primer caso, la tensión en los devanados primarios se reduce, mientras que en el segundo, la tensión aumenta.
• Otra forma de clasificar es seleccionar un transformador de corriente según su potencia. Este parámetro depende de la finalidad del equipo, del número de consumidores conectados y de sus propiedades.

Parámetros y características

A la hora de seleccionar estos equipos, hay que tener en cuenta los principales parámetros técnicos que afectan a la gama de aplicaciones y al coste. Las principales características son:

• Carga nominal, o potencia: se puede hacer una selección utilizando la tabla comparativa de las características del transformador. El valor de este parámetro determina los demás valores de corriente, ya que está estrictamente normalizado y sirve para definir el correcto funcionamiento del equipo en la clase de precisión seleccionada.
• Corriente nominal. Este valor determina el tiempo que el dispositivo puede funcionar sin sobrecalentarse a temperaturas críticas. Los equipos de los transformadores suelen tener una reserva térmica considerable y funcionan normalmente cuando se sobrecargan hasta un 18-20%.
• Tensión. Este valor es importante para la calidad del aislamiento del bobinado y garantiza el buen funcionamiento de la máquina.
• Errores. Este fenómeno es causado por el flujo magnético; el valor del error es la diferencia entre la corriente primaria y secundaria exacta. El aumento del flujo magnético en el núcleo del transformador contribuye a un aumento proporcional del error.
• La relación de transformación, que es la relación entre la corriente en los devanados primarios y los secundarios. El valor real del coeficiente difiere del nominal en una cantidad igual al grado de pérdida de conversión de energía.
• Multiplicidad límite, expresada como la relación entre la corriente primaria real y la corriente nominal.
• Multiplicidad de la corriente que se produce en los devanados del secundario.

Los datos clave de un transformador de corriente se determinan mediante un diagrama del factor de potencia: esto permite examinar las características del equipo en diferentes modos de funcionamiento, desde el vacío hasta la plena carga.

Los principales valores están marcados en el cuerpo del aparato mediante una marca especial. También puede contener información sobre el método de elevación e instalación del equipo, información de advertencia sobre las altas tensiones en los devanados secundarios (más de 350 voltios), información sobre la presencia de una toma de tierra. El convertidor de energía está marcado con una pegatina o con pintura.

Posibles fallos

Como cualquier otro equipo, los transformadores fallan de vez en cuando y requieren un mantenimiento experto con diagnóstico. Antes de revisar el aparato, es importante saber qué averías se producen y qué signos se corresponden con ellas:

• Ruido irregular en el interior del recinto, crujidos. Este fenómeno suele indicar una rotura del elemento de puesta a tierra, un solapamiento con la carcasa de las vueltas del bobinado o un prensado flojo de las láminas que sirven de núcleo magnético.
• Calentamiento excesivo de la caja, aumento de la corriente en el lado del consumidor. El problema puede deberse a cortocircuitos en los devanados debido al desgaste o a daños mecánicos de la capa de aislamiento, a frecuentes sobrecargas derivadas de cortocircuitos.
• Aisladores agrietados, descargas deslizantes. Se producen en caso de fallos de producción no detectados antes de la puesta en marcha, cuerpos extraños y solapamientos entre conductores de fase de diferentes valores.
• Emisiones de aceite en las que se rompe la membrana de la estructura de escape. El problema se atribuye a los cortocircuitos entre fases provocados por el desgaste del aislamiento, la caída del nivel de aceite, las caídas de tensión o la aparición de sobrecorrientes en caso de cortocircuito de extremo a extremo.
• Fugas de aceite por debajo de las juntas o en los grifos del transformador. Las principales causas son la soldadura defectuosa de los componentes, las juntas débiles, las juntas destruidas o los tapones de las válvulas sin frotar.
• Activación del relé de protección de gas. Este fenómeno se produce cuando el aceite se descompone debido a un fallo en el devanado, un circuito abierto, la quema de los contactos del interruptor o en el caso de un cortocircuito en la carcasa del transformador.
• Desconectar el relé de protección de gas. La descomposición activa del líquido aceitoso como resultado de un fallo entre fases, una sobretensión interna o externa o debido a un llamado "incendio de acero" es la causa del problema.
• Protección diferencial disparada. Este fallo se produce cuando hay una avería en la carcasa del alimentador, cuando hay un solapamiento entre las fases o en otros casos.

Para maximizar la funcionalidad del aparato, se deben realizar comprobaciones periódicas con una cámara termográfica: el equipo puede diagnosticar el deterioro de la calidad de los contactos y la reducción de la temperatura de funcionamiento. Los especialistas pueden llevar a cabo la siguiente gama de operaciones durante la verificación:

• 1. Lecturas de tensión y corriente.
  2. Verificación de la carga mediante una fuente externa.
  3. Determinación de los parámetros en el circuito de funcionamiento.
  4. Cálculo de la relación de transformación, comparación y análisis de los valores.

Cálculo de un transformador

El principio básico está definido por la fórmula U1/U2=n1/n2cuyos elementos se descifran como sigue:

• U1 y U2 son las tensiones de las espiras primarias y secundarias.
• n1 y n2 son el número de devanados primarios y secundarios respectivamente.

Se utiliza otra fórmula para determinar el área de la sección transversal del núcleo: S=1,15 * √PLa potencia se mide en vatios y la superficie en centímetros cuadrados. Si el núcleo utilizado en el equipo tiene forma de letra S, el área de la sección transversal se calcula para el núcleo central. Para determinar las vueltas del devanado del nivel primario, utilice la fórmula n=50*U1/S, Si el componente 50 no es invariable, se recomienda sustituirlo por el 60 para evitar la aparición de interferencias electromagnéticas. Otra fórmula es d=0,8*√Idonde d es la sección del conductor e I es el índice de intensidad de la corriente, se utiliza para calcular el diámetro del cable.

Las cifras calculadas se redondean (por ejemplo, la potencia calculada de 37,5 W se redondea a 40). El redondeo sólo es admisible hacia arriba. Todas las fórmulas anteriores se utilizan para seleccionar los transformadores que funcionan en la red de 220 V; cuando se construyen líneas de alta frecuencia se utilizan otros parámetros y métodos de cálculo.

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